设方程 xy^2 - e^2xy + 2x - y = 3 确定隐函数 y = y(x), 求 y'(0).
设方程 $xy^2 - e^{2xy} + 2x - y = 3$ 确定隐函数 $y = y(x)$, 求 $y'(0)$.
题目解答
答案
我们已知方程:
$xy^2 - e^{2xy} + 2x - y = 3$
这个方程隐式地定义了 $ y $ 为 $ x $ 的函数,即 $ y = y(x) $。我们的目标是求导数 $ y'(0) $,也就是在 $ x = 0 $ 处的导数。
第一步:代入 $ x = 0 $,求出对应的 $ y(0) $
将 $ x = 0 $ 代入原方程:
$0 \cdot y^2 - e^{2 \cdot 0 \cdot y} + 2 \cdot 0 - y = 3 \Rightarrow -e^0 - y = 3 \Rightarrow -1 - y = 3 \Rightarrow y = -4$
所以,当 $ x = 0 $ 时,$ y = -4 $,即 $ y(0) = -4 $。
第二步:对方程两边关于 $ x $ 求导(隐函数求导)
原方程:
$xy^2 - e^{2xy} + 2x - y = 3$
对两边关于 $ x $ 求导,注意 $ y $ 是 $ x $ 的函数,使用链式法则和乘积法则。
逐项求导:
- $ \frac{d}{dx}(xy^2) $
使用乘积法则:
$= \frac{d}{dx}(x) \cdot y^2 + x \cdot \frac{d}{dx}(y^2)
= 1 \cdot y^2 + x \cdot 2y \cdot y'
= y^2 + 2xyy'$
- $ \frac{d}{dx}(-e^{2xy}) $
先求指数部分 $ 2xy $ 的导数:
$\frac{d}{dx}(2xy) = 2y + 2x y'$
所以:
$\frac{d}{dx}(-e^{2xy}) = -e^{2xy} \cdot (2y + 2x y') = -2e^{2xy}(y + x y')$
-
$ \frac{d}{dx}(2x) = 2 $
-
$ \frac{d}{dx}(-y) = -y' $
-
右边 $ \frac{d}{dx}(3) = 0 $
将所有部分相加:
$\left( y^2 + 2xyy' \right) + \left( -2e^{2xy}(y + x y') \right) + 2 - y' = 0$
整理这个方程:
$y^2 + 2xyy' - 2e^{2xy}(y + x y') + 2 - y' = 0$
展开括号:
$y^2 + 2xyy' - 2e^{2xy}y - 2e^{2xy}x y' + 2 - y' = 0$
将含 $ y' $ 的项合并,其余项移到右边:
含 $ y' $ 的项:
$2xyy' - 2x e^{2xy} y' - y'
= y' \left( 2xy - 2x e^{2xy} - 1 \right)$
其余项:
$y^2 - 2y e^{2xy} + 2$
所以方程变为:
$y' \left( 2xy - 2x e^{2xy} - 1 \right) = - \left( y^2 - 2y e^{2xy} + 2 \right)$
解出 $ y' $:
$y' = \frac{ - (y^2 - 2y e^{2xy} + 2) }{ 2xy - 2x e^{2xy} - 1 }$
第三步:代入 $ x = 0, y = -4 $
先计算分子和分母。
分子:
$- \left( (-4)^2 - 2(-4) e^{2 \cdot 0 \cdot (-4)} + 2 \right) = - \left( 16 + 8 \cdot e^0 + 2 \right) = - (16 + 8 + 2) = -26$
分母:
$2 \cdot 0 \cdot (-4) - 2 \cdot 0 \cdot e^{0} - 1 = 0 - 0 - 1 = -1$
所以:
$y'(0) = \frac{-26}{-1} = 26$
最终答案:
$\boxed{y'(0) = 26}$
解析
考查要点:本题主要考查隐函数求导法的应用,以及在特定点求导数值的能力。关键在于正确应用链式法则和乘积法则,整理出导数表达式,并代入已知点进行计算。
解题思路:
- 确定初始值:将$x=0$代入原方程,求出对应的$y(0)$。
- 隐函数求导:对原方程两边关于$x$求导,注意将$y$视为$x$的函数,正确应用求导法则。
- 整理导数表达式:将含有$y'$的项合并,解出$y'$的表达式。
- 代入计算:将$x=0$和$y(0)$代入导数表达式,计算$y'(0)$。
破题关键:正确处理指数项$e^{2xy}$的导数,以及代入$x=0$时的简化计算。
第一步:求$y(0)$
将$x=0$代入原方程:
$0 \cdot y^2 - e^{2 \cdot 0 \cdot y} + 2 \cdot 0 - y = 3 \implies -e^0 - y = 3 \implies -1 - y = 3 \implies y = -4.$
因此,$y(0) = -4$。
第二步:隐函数求导
对原方程$xy^2 - e^{2xy} + 2x - y = 3$两边关于$x$求导:
- 第一项$\frac{d}{dx}(xy^2)$:
$y^2 + 2xyy'.$ - 第二项$\frac{d}{dx}(-e^{2xy})$:
$-e^{2xy} \cdot (2y + 2xy') = -2e^{2xy}(y + xy').$ - 第三项$\frac{d}{dx}(2x)$:
$2.$ - 第四项$\frac{d}{dx}(-y)$:
$-y'.$
将所有项相加并整理:
$y^2 + 2xyy' - 2e^{2xy}(y + xy') + 2 - y' = 0.$
合并含$y'$的项:
$y' \left( 2xy - 2xe^{2xy} - 1 \right) = - \left( y^2 - 2ye^{2xy} + 2 \right).$
解得:
$y' = \frac{ - (y^2 - 2ye^{2xy} + 2) }{ 2xy - 2xe^{2xy} - 1 }.$
第三步:代入$x=0, y=-4$
- 分子:
$- \left( (-4)^2 - 2(-4)e^{0} + 2 \right) = - (16 + 8 + 2) = -26.$ - 分母:
$2 \cdot 0 \cdot (-4) - 2 \cdot 0 \cdot e^{0} - 1 = -1.$
因此:
$y'(0) = \frac{-26}{-1} = 26.$